Углерод

Билет.

Билет.

Билет.

Билет.

Билет.

Металлический тип межатомной связи.

Атомы металлов имеют на внешнем энергетическом уровне небольшое количество электронов. Связь внешних электронов с атомом характеризуется работой выхода электронов. Т.е. работой, необходимой для удаления электронов из изолированного атома. Внешние электроны слабо связанны с ядром и находятся в относительно свободном состоянии, образую электронный газ. Устойчивость металла представляющего собой электронно-ионную систему определяется электрическим притяжением между положительно заряженными ионами и обобщенными электронами. Такое взаимодействие между ионным скелетом и электронным газом называется металлической связью.

Несовершенства кристаллического строения металлов и их влияние на свойства.

Дефекты крист. Строения делятся на 3 вида:

1. Точечный дефекты – Вакансия (узел решетки, где отсутствует атом).

Атомы с большими энергиями выходят на поверхность, а их место занимают атомы, находящиеся дальше от поверхности и в результате образуются узлы, незаполненные атомами.

Образуется в процессе пластической деформации, а так же при бомбардировке металла атомами или частицами высоких энергий.

Межузельные атомы – дефект, образующийся при переходе атома из узла решетки в междоузлие, на его месте образуется вакансия.

2. Линейные дефекты:

-Дислокация – дефект полуплоскости нижней или верхней части кристалла, вызванный его сдвигом, имеет большую длину, маленькую ширину и высоту. Измеряется плотностью дислокации . (сумма длин/объем). Плотность увеличивается при холодной пластической деформации.

Различают краевую и винтовую дислокацию. Линия краевой дислокации перпендикулярна вектору сдвига. Винтовые дислокации параллельны вектору сдвига.

3. Поверхностные дефекты – имеют маленькую ширину, большую высоту и длину – поверхности раздела между отдельными зернами в поликристаллическом средстве. Граница между зернами – 1-5нм, в ней нарушено правильное расположение атомов.

Механизм кристаллизации металлов. Самопроизвольная кристаллизация.

При расплавлении в металлах увеличиваются межатомные расстояния и нарушается правильность их строения, что приводит к увеличению объема на 2-6%. В жидком состоянии металлы имеют ближний порядок расположения атомов, т.е. правильность расположения атомов сохраняется на маленьком промежутке. Твердые металлы имеют дальний порядок кристаллической структуры.

Переход металла из жидкого состояния в твердое, называется первичной кристаллизацией и сопровождается образованием кристаллической структуры.

Энергетическое состояние металлической системы характеризуется термодинамической функцией F – свободная энергия.

Чем выше F, тем система менее устойчива.

Самопроизвольная кристаллизации обусловлена стремлением металла перейти в более устойчивое состояние за счет уменьшения свободной энергии. Зависимость свободной энергии(Оу) от температуры (Ох)

Верхняя линия слева - жидкий металл, нижняя слева – твердый металл.

Точка пересечения – температура равновесия (Тс)– температура при которой свободная энергия металла в твердом и жидком состоянии равны.

Выше температуры Тс, меньшей свободной

энергией обладает металл в жидком сост.

При Тс свободные энергии равны. Поэтому для того, чтобы началась кристаллизация,
температура должна быть ниже температуры

Равновесия, а для плавления – выше.

Процесс кристаллизации изображают с помощью кривой охлаждения в координатах температура-время.

Температура (Оу), время (Ох).

-В жидком состоянии металл плавно

остывает при понижении температуры (1 участок);

-Процесс охлаждения прекращается на 2 участке (горизонт. площадка) 2 участок показывает, что при охлаждении выделяется скрытая теплота. Т.е. энергия, которую отдают атомы в процессе формирования кристаллической решетки.

-Затем снова участок охлаждения.

На структуру кристаллического вещества влияет степень переохлаждения жидкого вещества перед кристаллизацией. Если охлаждать изложницу в снегу (переохлаждение) то полученные кристаллы будут мелкими. Чем чище металл, тем крупнее кристаллы.

Процесс кристаллизации начинается с зарождения кристаллических зародышей (центров кристаллизации).

Процесс кристаллизации:

1) Образование устойчивых кристаллич. Зародышей.

2) Зародыши, достраиваясь, образуют более крупные кристаллы, и появляются новые зародыши.

3) Кол-во жидкого Ме <50% процесс замедляется, уменьшается число новых кристаллов.

4) Твердый поликристаллический Металл.

Скорость процесса кристаллизации характеризуется двумя величинами:

-Скоростью зарождения центров кристаллизации.

-Скоростью роста кристаллов.

При медленном охлаждении повысится скорость роста, при резком охлаждении получим много кристаллов малой величины.

Сплавы. Фазовый состав сплавов: твердые растворы, промежуточные фазы (Хим. Соединения)

Мех. св-ва сплавов выше, чем у чистых металлов, поэтому они чаще распространенны в промышленности.

Кристаллы, образующиеся в сплавах,

делят на 2 типа:

- твердые растворы

-промежуточные фазы

Твердые растворы – кристаллические фазы переменного состава, в кот-ых атомы растворенного компонента размещены в кристаллической решетке растворителя. Твердые растворы бывают двух видов:

-Замещения.

-Внедрения.

Тв.Растворы замещения – замещают атомы в узлах решетки, поэтому могут иметь различное количество замещенных атомов – переменную растворимость. Вокруг атома растворенного вещества возникают искажения пространственной решетки, это приводит к изменению свойств – возрастает электросопротивление, уменьшается пластичность, увеличиваются твердость и прочность.

Твердые растворы внедрения: атомы растворенного вещества внедряются между атомами растворителя, в поры решетки. Возникают при сплавлении переходных металлов с неметаллами, имеющими маленький атомный радиус H, N, C. Эти вещества легко проникают в решетку ГЦК и ГПУ, чуть хуже в ОЦК. Пример – Феррит и Аустенит.

Твердые растворы близки по свойствам растворителю, так как имеют его решетку. Являются основой сплавов, подвергаемых ОМД.

Промежуточные фазы – кристаллы, образовавшиеся в результате химических реакций между компонентами сплава. Имеют свой типы кристаллических решеток.

Пример: Цеметит Fe3c. Ромбическая решетка.

Не обладают пластичностью в отличие от твердых растворов.

Свойства пластически деформированных металлов. Наклеп и рекристаллизация.

Пластическая деформация поликристаллического металла протекает аналогично деформации монокристалла – путем сдвига или двойникования.

Двойникование:

Сдвиг:

При пластич. Деформации зерна вытягиваются по направлению действия сил, образую слоистую или волокнистую структуру.

Металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее, чем металлы с решеткой ОЦК. В результате пластической деформации уменьшается плотность, сопротивления коррозии и повышается электросопротивление. Холодная деформация ферромагнитных металлов (железа) повышает коэрцитивную силу и уменьшает магнимтную проницаемость.

-С увеличением степени деформации, характеристики прочности и твердости увеличиваются, а пластичность уменьшается, это явление увеличения упрочнения называется эффектом наклепа.

Наклеп объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения – вакансий, дислокаций, межузельных атомов. эти дефекты затрудняют перемещение дислокация, а значит повышают сопротивление деформации и уменьшают пластичность.

-При обжиге происходит внутренняя перестройка, при которой, за счет дополнительной тепловой энергии, в твердом металле, без фазовых превращений, из множества центров растут новые зерна, заменяющие деформированные. Это явление называется рекристаллизацией.

Температура рекристаллизации для чистых металлов равна 0,4 от абсолютной температуры плавления. При температурах ниже температуры…рекристаллизации происходит явление возврата - размеры деформированных зерен не изменяются, но частично снимаются остаточные напряжения, возникающие из за неоднородности нагрева или охлаждения, распределения деформации и т.д. В результате мех.св-ва почти не изменяются, но повышается электропроводимость и сопротивление коррозии холоднодеформированного металла.

Компоненты и фазы в системе железо-углерод.

Известны две полиморфные модификации железа α и γ железо.

Кристаллическая решетка α-Fe – ОЦК, до температуры 768*С альфа железо ферромагнитно, температура 768*С является переходной точкой, называют точкой Кюри и обозначают А2, то есть точка перехода из ферромагнитного в парамагнитное состояние.

При температурах 911-1932*С существует γ-Fe, оно парамагнитно. Точка перехода из α в γ железо при температуре 911*С обозначают Ас3 а при температуре 1392*С Ас4.

Γ-Fe имеет решетку ГЦК и существует в интервале от 1392 до 1539*С.

Углерод полиморфен, он может существовать в виде графита, а так же в виде метастабильной модификации алмаза. Углерод растворим в железе в жидком и в твердом состоянии, а так же может быть в виде хим. соединения – цементита, а в высокоуглеродистых сталях – в виде графита.

Дата добавления: 2015-04-23